氮化镓为何成为快充材料的最佳选择？

快充市场异常火爆。市场层面有两大利好：2020年10月，苹果宣布iPhone12系列手机以及官网所有在售iPhone机型均不再附送充电器，整个快充市场为之雀跃；小米10、华为Mate40、OPPO和三星最新安卓手机都推出了氮化镓充电器，从45W、65W到120W快充产品陆续上市。苹果、三星、华为、小米、OPPO等全球前五大手机厂商采用GaN充电器，驱动整个快充行业呈现增长态势。     根据市场研究机构Yole估计，功率GaN市场中最大的细分市场仍然是电源应用，即手机的快速充电。2018至2024年间市场规模的复合年增长率将高达92%。其中，GaN快充市场2020-2023年间增速将达到55%。乐观情况下，氮化镓功率市场规模将超过7.5亿美元。  

  氮化镓为何能成为快速充电器的最佳材料选择？氮化镓芯片厂商如何助力终端厂商的快充产品上线？国内电源管理芯片厂商在20W、45W等主流快充产品上有哪些经典方案？纳微半导体销售总监李文辉、芯朋微电子应用技术总监王旷和英诺赛科产品应用经理邹艳波带来最新的市场趋势解读和主流方案分享。  

氮化镓为何成为快充材料的最佳选择？

作为第三代半导体的核心材料之一，GaN其主要有三个特性——开关频率高、禁带宽度大、更低的导通电阻。它在充电器上的优势主要体现在：体积小，重量轻；功率密度大，效率高但不容易发热；手机、笔记本都能充，兼容多个设备。  

 

 小米集团董事长兼CEO雷军在小米10发布会上曾经介绍，GaN是一种新型半导体材料，做出的充电器体积特别小，充电效率却特别高，发热低，同时兼容手机与笔记本电脑。小米Type-C GaN 65W充电器比标配的65W充电器体积要小一半，充满配备4500mAh电池的小米10 Pro仅需45分钟。同样为iPhone 11充电，GaN充电器速度比原装快一倍。  

 

  在大屏手机成为主流、处理器不断升级的前提下，电池技术已经到达瓶颈，如何更快地充电就成为了解决续航问题的关键。在李文辉看来，氮化镓（GaN）受到关注有两大原因：屏幕大小不断攀升，电池容量持续攀升。10年前，手机电池平均容量是1200毫安，到2020年，智能手机电池平均容量达到4500毫安，10年内电池容量接近扩大3倍以上；手机屏幕从2寸到今天6.5寸，屏幕放大四倍。未来智能手机屏幕越大，整个CPU、射频和周边电子器件都使用功率部分，电池越来越大。   GaN（氮化镓）与传统硅材料有什么差别？纳微半导体销售总监李文辉分析说，GaN比传统的硅具有更高的效率、更小的尺寸和更轻的重量。具体说，GaN运行速度比硅加快20倍，并且能够实现高出三倍的功率，能量密度至少提升一倍，比较AC/DC这种传统的电源管理方式效率至少3个点提升。   氮化镓的出现改变充电器体积随功率密度增大不断增大的现状，它是目前全球最快的功率开关器件，并且可以在高速开关的前提下保持高效率水准。高开关频率减小了变压器的体积，从而大幅度缩小了充电器的体积。同时，氮化镓具有更低的损耗，使用氮化镓芯片后，减少了其他元件的使用，进一步缩小了充电器体积。  

纳微半导体：出货氮化镓功率IC产品超500万颗 助力主流产品加快上市

纳微半导体成立于2014年，聚焦GaN功率芯片，凭借其面向消费级市场的高集成度的GaN功率芯片产品在市场上快速建立起知名度。   近日，在2020年USB PD & Type-C亚洲大会上，纳微半导体销售总监李文辉分享了他们最新的进展：2020年6月，全世界最小的50W超闪充电器OPPO饼干充电器问世，搭载纳微芯片；7月，第500万颗纳微芯片成功投入市场；8月，全世界第一款iPhone12专属氮化镓超速充电器提前问世，搭载纳微功率IC芯片。   李文辉分析说，一开始氮化镓技术在dMode FET，特性是在没有电压的控制下，需要额外的硅FET“级联”配置，需要设置复杂的电路。纳微半导体坚持走eMode FET技术，这种技术在没有电压的时候是关断的，类似于传统的MOSFET，比较容易控制。纳微半导体采用专有的 AllGaN工艺设计套件将最高性能的GaNFast与逻辑和模拟电路单片集成，可为移动、消费和新能源市场提供更小、更高能效和更低成本的电源。据悉，小米发布的氮化镓快充产品采用了纳微半导体的功率芯片产品。  

 

 纳微半导体（Navitas）拥有强大的功率半导体行业专家团队，拥有120多项专利，其功率IC是台积电代工，从2018年1月到2020年7月份，纳微半导体的功率IC出货500万颗，预计到今年底全球交付超过900万颗芯片给客户，实现零故障。李文辉强调说，纳微半导体功率IC芯片经过专有可靠性测试，有50年的使用年限。  

芯朋微：如何应对PD快充小型化挑战

芯朋微电子应用技术总监王旷指出，对于PD快充来讲，最关键的一个技术就是智能高压器件，高压启动管可以实现电源的低待机功耗，快速启动和效率要求。芯朋微自主设计的智能功率MOS耐压涵盖40V-1200V，30mw待机，快速启动，实现轻载高效，雪崩抗冲击能力强，功率密度高。   对于iPhone 12不配充电器，王旷表示手机厂商的动作对快充业内带来了新机遇和新挑战。主要表现为：一是如何把18W 的USB PD升级到20W USB PD；二是充电器如何做小。芯朋微推出了第二代PD快充方案PN8162+PN8307。   除了原来上一代产品具备的高集成度、性能优异和成本优势外，在高功率密度方面，因为主控芯片升级到PN8162后，采用PDFN5*6专用封装，降低芯片热阻，相同工况下比传统SOP8温升降低19度以上。在自适应控制技术上，PN8162采用QR控制技术，降低芯片开关功耗，自适应QR开关技术，简化EMC设计，解决小体积充电器EMC问题，并减小输出电容容量。  

 

  针对充电器体积越小，EMC挑战越大的难点，PN8162解决对策：自适应QR控制分散开关频率频谱分布；实验结果表明20W PD快充在9V2A和9V2.22A负载下，温升相差10度左右，如何解决小型化带来的温升挑战？PN8162解决对策：采用PDFN封装，封装热阻降低至于15度每瓦，9V2.22A工况下，芯片温升降低10度左右。   芯朋微2005年成立，深耕电源管理芯片15年，业绩表现持续向好。2020年出货芯片8亿颗，7月份芯朋微在科创板上市，作为国内模拟IC芯片设计公司，芯朋微得到国家大基金二期的投资，已经成为模拟芯片领域国产替代的重要厂商。  

英诺赛科：氮化镓快充市场快速发展 8英寸晶圆线投产助力市场规模扩大

英诺赛科产品应用经理邹艳波对记者表示，2020年，氮化镓快充市场快速增长，整个行业的芯片出货量已经超过1500万颗，比2019年实现了10倍的增长。预计2021年，氮化镓芯片持续高增长，将会实现1亿颗的出货量预期。2020年，英诺赛科的氮化镓芯片实现了400万颗出货量。2021年目标是实现10倍数量增长。   2018年到2020年，整个快充市场经历三年的培育期，市场认可氮化镓芯片高频、高效和可靠性。未来氮化镓芯片要实现高速发展，产能保证是一个重要前提。邹艳波认为，中国芯片企业只有采用IDM模式，实现芯片设计和制造一体化，实现全产业链控制，才能解决真正的产能问题。  

 

  2018年，英诺赛科珠海8寸晶圆厂的产能达到月产4000片。从2018年起，英诺赛科规划布局更大规模的晶圆厂，2020年9月19日，英诺赛科苏州第三代半导体基地举行设备搬入仪式，预计明年年中满产后将实现月产8英寸硅基氮化镓晶圆65000片，产品线覆盖30V-650V的全系列氮化镓芯片，产品将为5G移动通信、数据中心、新能源汽车、无人驾驶、手机快充等战略新兴产业的自主创新发展提供核心电子元器件。   INN650D02 “InnoGaN”开关管基于业界领先的8英寸生产加工工艺，是目前市面上最先量产的先进制程氮化镓功率器件，这项技术的大规模商用将推动氮化镓快充的快速普及。得益于全球首条8英寸增强型硅基氮化镓功率器件量产线以及先进的研发品控分析能力，英诺赛科InnoGaN系列的整体性能和成本均得到很好的把控，市场竞争优势明显。  

小结

随着人工智能和5G通信的发展，对5G手机、笔记本电脑和其他智能终端的快速充电都提出了高要求。随着用户对充电器通用性、便携性的要求，氮化镓快充市场规模快速增长。国际厂商在功率IC领域具有先发优势，国内厂商英诺赛科也在积极布局芯片设计和产能。   GaN功率器件市场目前还不大，相对于成熟的Si而言，GaN产业链目前并不成熟，价格偏高，可靠性、成本等各方面都不具压倒性优势。2021年，中国GaN快充市场出现哪些新颖产品，GaN功率芯片和产业链实现哪些突破，我们将拭目以待。  

原文标题：GaN芯片出货量达1500万颗！iPhone12带火的氮化镓充电器，你get到了吗？

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责任编辑：haq